一种工作状态可调的硅纳米线陀螺仪及其制备方法

技术领域

本发明属于陀螺仪设计技术领域，具体涉及一种工作状态可调的硅纳米线陀螺仪及其制备方法。

背景技术

微机械陀螺仪，即MEMS陀螺仪，是一种典型的角速度微传感器，由于其尺寸小、功耗低和加工方便等优势在消费电子市场有着非常广泛的应用。近年来随着其性能的逐步提升，MEMS陀螺仪被广泛应用于工业、汽车和虚拟现实等领域。

随着科学技术日新月异的发展，传感器器件微小型化和集成化的需求日趋强烈，传统电容检测和基于压敏电阻检测的陀螺仪很难在确保其精度、分辨率不变的情况下大幅度缩小尺寸，导致现有陀螺仪体积较大。

硅纳米线是一种新型的一维纳米材料，外界环境的微妙变化能够引起材料本身性质的剧烈变化，因此以硅纳米线代替传统的压敏电阻作为陀螺仪的检测方式可以实现器件的微小型化，具有很大的应用前景。但是，当硅纳米线的结构确定之后，其沟道载流子的浓度无法调整，造成无法根据实际应用场景调整陀螺仪的工作状态至最佳。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提供一种工作状态可调的硅纳米线陀螺仪及其制备方法。

为了实现以上发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种工作状态可调的硅纳米线陀螺仪的制备方法，包括以下步骤：

S1、在SOI硅片的顶层硅表面制备氮化硅薄膜，形成介质掩膜层；

S2、在介质掩膜层上通过光刻工艺转移小三角形图案，并刻蚀小三角形图案处的氮化硅，以形成小三角形窗口；接着对三角形窗口处的硅进行干法刻蚀至氧化层，制得竖直小三角形槽，然后去除光刻胶；

S3、利用自限制热氧化工艺对竖直小三角形槽进行氧化；

S4、在介质掩膜层上通过光刻工艺转移三个沿竖直小三角形槽周向分布的大三角形图案，并刻蚀大三角形图案处的氮化硅，以形成大三角形窗口；接着对三个大三角形窗口处的硅进行干法刻蚀至氧化层，制得三个深度相同的竖直大三角形槽，然后去除光刻胶；

S5、对竖直大三角形槽进行各项异性湿法腐蚀，形成每个侧壁均属于{111}晶面族的六边形腐蚀槽，且相邻两个六边形腐蚀槽之间形成单晶硅薄壁结构，三个六边形腐蚀槽中间出现相对的类锥体结构；

S6、利用自限制热氧化工艺对硅片进行氧化，单晶硅薄壁结构的顶部中央位置形成单晶硅纳米线；

S7、在硅片的适当位置刻蚀氮化硅形成方形窗口，对方形窗口硼离子注入后再进行退火，之后制作正、负电极；

S8、在悬空的氮化硅薄膜上制作栅极；

S9、在硅片的适当位置制作隔离沟道，以实现正、负电极的物理隔绝；

S10、去除被氧化的单晶硅薄壁结构，释放整个结构。

作为优选方案，所述氮化硅薄膜的厚度为50nm-5μm。

作为优选方案，所述小三角形窗口的边长为1-50μm。

作为优选方案，所述小三角形窗口替换为圆形或正方形。

作为优选方案，所述小竖直三角形槽的深度为1-100μm。

作为优选方案，所述步骤S3中的氧化深度为100nm-20μm。

作为优选方案，所述大竖直三角形槽的深度为1-100μm。

作为优选方案，所述单晶硅纳米线的宽度为10-800nm。

作为优选方案，所述栅极位于硅纳米线的正上方且每根硅纳米线都被栅极覆盖。

本发明还提供如上任一项方案所述的制备方法制得的工作状态可调的硅纳米线陀螺仪。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明由氮化硅薄膜和三条硅纳米线共同支撑锥形质量块作为陀螺仪的核心结构，有效提升陀螺仪的灵敏度；而且，本发明巧妙地保留氮化硅薄膜，并以其为绝缘层在上面制作栅极，可以有效的保护硅纳米线不因各种原因断裂。另外，通过栅极调节硅纳米线沟道载流子的浓度，能够找到陀螺仪的最佳工作点。

本发明的硅纳米线陀螺仪由于硅纳米线和质量块结构的特殊设计，使得陀螺仪在角加速度值较大的情况下仍能正常工作，可实现超大量程的陀螺仪的制备。

本发明工艺简单，全部工艺流程都属于传统的微加工工艺，成本低廉，可实现大规模工业生产。

附图说明

图1是本发明实施例1在顶层硅上制作氮化硅薄膜示意图；

图2是本发明实施例1在硅片上制作三角形腐蚀槽示意图；

图3是本发明实施例1的湿法腐蚀三角形槽形成倾斜的六边形腐蚀槽示意图；

图4是本发明实施例1的硅纳米薄壁热氧化形成硅纳米线示意图；

图5是本发明实施例1在硅片上制作金电极和隔离沟道示意图；

图6是本发明实施例1的释放整个结构后硅纳米线支撑质量块的示意图；

图7是本发明实施例1的硅纳米线陀螺仪的结构示意图；

图8是本发明实施例1的湿法腐蚀三角形槽后的照片；

图9是本发明实施例2的湿法腐蚀三角形槽后的照片。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

实施例1：

如图1-7所示，本实施例的硅纳米线陀螺仪主要包括硅纳米线8、氮化硅薄膜1、质量块9、金电极12、栅极13以及SOI硅片。

当陀螺仪受到外界的角加速度作用时，质量块9跟随着角加速度的方向转动，使得支撑质量块的硅纳米线8发生形变，形变导致硅纳米线电导变化，进而输出变化的信号。同时，本实施例的陀螺仪的栅极13能够调节硅纳米线沟道载流子浓度，进而找到陀螺仪最佳工作点。

具体地，本实施例的硅纳米线陀螺仪的制备方法，包括以下步骤：

1.首先选取一块底层硅为100型的(111)型SOI硅片，在所述衬底顶层硅2表面用低应力CVD薄膜生长技术制备一层厚度为50nm-5μm的氮化硅薄膜1，形成致密的介质掩膜层，如图1所示。

之后，通过光刻工艺转移三角形图案，同时进行RIE工艺，刻蚀三角形图案处的氮化硅，形成三角形窗口14；三角形窗口14的边长为1-50μm，对三角形窗口14处的硅进行干法腐蚀，制备出深度为1-100μm的竖直三角形槽；然后去除光刻胶，并基于自限制热氧化工艺对竖直三角形槽氧化100nm-20μm，如图2所示。

2.通过光刻工艺在氮化硅层1形成三个三角形窗口5，对这三个窗口进行干法刻蚀，一直刻蚀到硅片的氧化层3，制备出深度均为1-100μm的竖直三角形槽，并去除光刻胶，如图2所示。

3.在10-100℃、10-80wt％的KOH溶液中，对硅片进行各项异性湿法腐蚀，湿法腐蚀的时间为5分钟-10小时，然后步骤2中的三个三角形槽会被腐蚀成每个侧壁均属于{111}晶面族的六边形腐蚀槽，如图3和8所示；且相邻两个六边形腐蚀槽之间形成预设宽度小于1μm的单晶硅薄壁结构7，三个六边形腐蚀槽中间出现相对的类三角锥体结构，位于上方的类锥体就是陀螺仪的质量块9(其中，质量块的悬空需要两个过程，一个是小三角形打断，另一个是后续的BOE去除被氧化的单晶硅薄壁结构彻底打断，实现质量块的悬空)，如图3和图6示。

4.基于自限制热氧化工艺对硅片进行氧化后，单晶硅纳米墙壁7的顶部正中央会形成单晶硅纳米线8，如图4所示。

5.在硅片的左上角和右下角分别刻蚀氮化硅形成方形窗口，对方形窗口硼离子注入后再进行退火，离子注入能量为5-100KeV，离子注入计量为0.1E15cm

然后在悬空的氮化硅薄膜上制备出栅极13，栅极位于硅纳米线的正上方且每根硅纳米线都被栅极所覆盖，栅极的宽度为1-100μm；

还在硅片的适当位置把硅片刻蚀到氧化层制作器件的隔离沟道11，以实现器件正、负电极的物理隔绝，如图5所示。

6.用BOE(buffer oxide etching solution)去除步骤4中被氧化的单晶硅薄壁结构，释放出整个结构。

上述步骤完成后，即可制备出如图7所示的硅纳米线陀螺仪。

本实施例的硅纳米线陀螺仪的栅极不仅能够有效的调制硅纳米线沟道，进而寻找出器件的最佳工作点，同时也能有效地保护硅纳米线。

实施例2：

本实施例的与实施例1的硅纳米线陀螺仪的不同之处在于：

如图9所示，三个三角形窗口的排列位置不同，与三个三角形窗口相关的结构作相应的调整；其他结构可以参考实施例1；

硅纳米线陀螺仪的加工工艺根据三个三角形窗口的排列位置不同作出适应性调整，具体步骤可以参考实施例1。

以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。